碳水化合物

溴水能氧化醛糖，生成糖酸，糖酸加热容易失水而得到γ和δ酯。酮糖不能被溴水氧化，酸性下，不会引起糖分子异构化作用。区别醛酮糖。

碳水化合物

• 概述
  • 分类
    • 单糖
      • 结构最简单的碳水化合物，不能再被水解为更小的糖单位
    • 低聚糖
      • 水解产生2-10个单糖分子化合物
    • 多糖
      • 单糖聚合度大于10的糖类。 均多糖:由相同的糖基组成多糖 杂多糖:两种或多种不同的单糖单位组成的多糖 结构(直链支链)功能(结构贮存功能)来源(植物动物微生物
• 单糖及低聚糖
  • 单糖的结构
    • 除丙酮糖以外，均含有手性碳原子。大多数具有旋光异构体。大部分为D型，天然的有L阿拉伯糖和L半乳糖
    • 直链构型的写法:费歇尔式，环状的为哈沃斯式 吡喃葡萄糖有椅式船式，大多数椅式
  • 低聚糖的结构
    • 低聚糖是以一个醛糖C1上的半缩醛羟基和另一单糖的羟基脱水而成。有α和β两种构型 通常采用系统命名
  • 单糖和低聚糖的物理性质
    • 甜度
      • 感官比较法。以蔗糖为基准物10%或15%的蔗糖水溶液在20℃时甜度为1.0比甜度
      • 分子结构，分子量，分子存在状态及外界因素有关。 分子量越大，溶解度越小，甜度越小 α和β型也影响 果糖甜味感觉反应快，速度快，持续时间短。葡萄糖都慢。 不同的混合有协同增效作用
    • 旋光性
      • 概念
        • 是指一种物质使直线偏振光的振动平面发生向左或向右旋转的特性。右旋为D-或(+)
      • 比旋光度
        • 1ml含有1g糖的溶液在其透光层为0.1m时使偏振光旋转的角度[a]tλ，
      • 变旋现象
        • 糖刚溶解于水时，其比旋光度是处于动态变化中的，但到一定时间后就趋于稳定
    • 溶解性
      • 多个羟基使它能溶于水(热水)，不溶于有机溶剂 同一温度下，果糖溶解度最大
      • 一般随温度升高，溶解度增大
      • 随着浓度增加，渗透压增大。(果酱，蜜饯类，高浓度糖的保存性质。糖具有高溶解度)
      • 糖浓度70%以上才能抑制酵母霉菌的生长。
    • 吸湿性，保湿性及结晶性
      • 吸湿性
        • 空气湿度较高的情况下吸收水分的性质
          • 果糖最强，葡萄糖次久。常生产面包，糕点，软糖，调味品等
      • 保湿性
        • 糖在空气湿度较低条件不保持水分的性质
      • 结晶性
        • 葡萄糖晶体细小，蔗糖粗大。果糖果葡糖浆较难结晶。淀粉糖浆不能结晶，并可防止蔗糖结晶 制作冰糖。浞粉糖浆不含果糖，吸湿性小，糖果保存性好 蜜饯，若用蔗糖易产生返砂现象。可利用果糖或果葡糖浆
    • 黎度
      • 随温度升高而下降，葡萄糖升高而增大。淀粉糖浆随转化程度增大而降低
    • 渗透压
      • 冰点降低而增大。与浓度和分子质量有关，成正比。 低聚糖分子质量大，水溶性小，渗透压小
    • 发酵性
      • 酵母菌使产生酒精，同时产C02，酿酒和面包松疏 葡>果>蔗>麦 还可产乳酸 大部分不能，要先水解成单糖，才能发酵
  • 化学反应
    • 美拉德反应
      • 羰氨反应，非酶褐变(羰基和氨基缩合，聚合生成类黑素的反应。
      • 机理
      • 影响因素
        • 底物影响
          • 五糖:核>阿>木；六糖:半>甘>葡五是六的10信，醛>酮单>二
        • PH值
          • 3以上，反应速度随pH升高而加快
        • 水分
          • 反应速度与反应物浓度成正比 水分10%-15%，易进行。水分含量超过5%，脂肪氧化加快，褐变加快
        • 温度
          • 温度相差10℃，违度差3-5倍。贮存低温为宜
        • 金属离子
          • 铜铁促进，钙，Mn，Sn抑制
        • 空气
          • 真空或充入惰性气体，降低脂肪等氧化和羰基化合物生成。氧气被排除，不影响早期，但会影响后期色素物质形成
    • 焦糖化反应
      • 糖类尤其是单糖在没有含氨基化合物存在的情况下，加热到熔点以上的高温(一般是140-170℃)，因糖发生脱水与降解，也会产生褐变反应
      • 熔点越低，反应越快。果糖最快。pH越大，反应越快
      • 产物1糖的脱水产物(焦糖)2糖的裂解产物挥发性醛酮类
      • 形成过程
    • 与碱的作用
      • 异构化
        • D葡萄糖在稀碱下，可通过烯醇式中间体转化得到D葡萄糖，甘露糖果糖混合物(生产果葡糖浆)
      • 糖精酸生成
        • 单糖与碱作用时，随碱浓度增加，加热温度提高，加热作用时间廷长，单糖发生分子内氧化还原反应与重排作用生成羧酸类化合物
      • 分解反应
        • 浓碱作用下，单糖分解产生较小分子的糖酸醇醛等化合物(有无氧气或其他氧化剂存在产物不同
    • 与酸作用
      • 稀酸和加热条件下，使单糖分子间脱水反应而缩合成糖苷，产物包括二糖和其他低聚糖，称为复合反应 与强酸共热脱水生成糠醛
      • 间苯二酚加盐酸遇酮糖呈红色，遇醛糖则很浅西利万诺夫试验，鉴别酮醛糖 糖的脱水与PH有关。3时，都低。
    • 氧化还原反应
      • 氧化反应
        • 土伦试剂，费林试剂(碱性)氧化
          • 醛糖产生银镜，酮糖生成氧化亚铜的砖红色沉淀。糖分子的醛基被氧化成羧基
        • 溴水(酸性)氧化
          • 溴水能氧化醛糖，生成糖酸，糖酸加热容易失水而得到γ和δ酯。 酮糖不能被溴水氧化，酸性下，不会引起糖分子异构化作用。区别醛酮糖
        • 硝酸氧化
          • 比溴水强，能将醛糖的醛基和伯醇基都氧化，生成有相同碳数二元酸。 半乳糖氧化生成半乳糖二酸，不浴于酸性溶液。鉴定半乳糖和其他己醛糖
        • 高碘酸氧化
          • 高碘酸氧化C原子上有羟基或羰基，C=C断裂。定量1molCC键消耗1mol高碘酸
        • 其他
          • 酮糖在强氧化剂作用下，在酮基处裂解，生成草酸和酒石酸。葡萄糖在氧化酶下，醛基不变，第六个C上伯醇基氧化成羧基生成葡萄糖醛酸
      • 还原反应
        • 生成多元醇。还原剂有钠汞齐，四氢硼钠 D一葡萄糖还原成山梨醇，木糖→木糖醇，D-果糖→甘露醇和山梨醇混合物
  • 食品中重要低聚糖及其性质
    • 二糖
      • 两分子单糖失水形成的化合物，均溶于水，有甜味，旋光性，可结晶。还原性与非还原性
      • 蔗糖
        • αD葡萄糖C1与βD葡萄糖C2通过糖苷键结合的非还原糖
        • 无色透明单斜晶体结晶，相对密度1.588熔点160℃，形成玻璃样固估，200度以上形成焦糖
        • 易溶于水，溶解度随T↗而↗，caCL2↓右旋糖
        • 不具还原性，无变旋现象也无成脎反应，可与碱土金属氢氧化物结合生成蔗糖盐
      • 麦芽糖
        • 2分子葡萄糖通过α14糖苷键结合而成，有αβ两种异构体
        • 透明针状晶体，易溶于水，微溶于酒精，不溶于醚，熔点102，1.540甜为蔗的1/3
        • 有还原性，与过量苯肼形成糖脎
        • 在淀粉酶或唾液酶作用下，淀粉水解可得啤酒
      • 乳糖
        • 一分子βD半乳糖与另一分子D葡萄糖通过β14糖苷键结合生成
        • 常温下白色固体，溶解度小，有还原性，能形成脎，有旋光性，常用于食品医药工业
        • 乳糖有利于机体内钙的代谢和吸收，但对体内缺乳糖酶的人群，可导致乳糖不耐症，此时只有它在水解成单糖后才能作为能量利用
      • 纤维二糖和海藻糖
        • ①2分子葡萄糖以β14糖苷键结合，分子中仍保留一个半缩醛羟基 有还原性，能变旋，能成脎，无色结晶
        • ②2个葡萄糖分子以11糖甘键结合而成，三种异构体，(海异新) 作为不稳定药品食品化妆品保护剂
    • 果葡糖浆
      • 高果糖浆或异构糖浆，以酶法水解绽粉所得的葡萄糖液经葡萄糖异构酶异构化作用，将其中一部分葡萄糖异构成果糖而形成的由果糖和葡萄糖组成的一种混合糖糖浆
    • 其他低聚糖
      • 棉籽糖
        • 蜜三糖，与水苏糖一起组成大豆低聚糖的主要成分
        • αD吡喃半乳糖(1→6)αD吡喃葡萄糖(1→2)βD呋喃果糖
        • 自色或淡黄色长针状结晶体，一般带5分子结晶水。易溶于水微溶于乙醇，不溶于石油醚
        • 湿性最低，非还原糖，热稳定性好
        • 一从甜菜糖蜜中提取，2从脱毒棉籽中提取
      • 低聚果糖
        • 在蔗糖分子的果糖残基上通过β(2→1)糖苷键连接1-3个果糖基而形成的蔗果三糖，四糖及五糖混合物。GFFn，属果糖和葡萄糖构成的直链杂低聚糖
        • 生理作用:双歧杆菌的有效增殖因子，水溶性膳食纤维，属于人体难消化的低热值甜味剂，改善肠通环境防止龋齿 
        • βD呋喃果糖苷酶多由米曲霉和黑曲霉生产。有明显抑制淀粉老化作用
      • 低聚木糖
        • 2一7个木糖以β(1→4)糖苷键连接而成的低聚糖，木二糖和木三糖。木二糖含量越高，产品质量越好
        • 甜味类似蔗糖，有耐酸耐热和不分解性，还具有改善肠道环境，防龋齿，促进机体对钙的吸引和在体内代谢不依赖胰岛素作用
      • 异麦芽酮糖
        • (帕拉金糖)，6-0-αD吡喃葡萄糖基D果糖
        • 溶解性小，有旋光性，没吸湿性，抗酸水解强，，防龋齿，应用于酸性和发酵食品中
      • 环状糊精
        • αD葡萄糖以α14糖苷键结合而成的闭环结构低聚糖。聚合度分别为678个葡萄糖单位，为αβγ
        • 保护剂，包埋剂，保湿剂，乳化剂，起泡促进剂，稳定剂
  • 多糖
    • 多糖的结构和效应
      • 多糖的结构
        • 单糖聚合度大于l0的糖类。直链和支链是由单糖分子通过14和16糖苷键结合而成的高分子化合物
        • 一级结构:多糖线性链中糖苷键连接单糖残基顺序
        • 二级结构:多糖骨架链间以氢键结合所形成的各种聚合体，只关系到主链结构，不涉及侧链空间排布
        • 三级结构:在多糖一二级结构基础上形成的有规则而粗大的空间构象
        • 四级结构:多糖链间以非共价键结合而形成的聚集体
      • 多糖的结构与生物活性
        • 多糖广泛存在于高等植物，动物细胞膜，微生物细胞壁中一类大分子物质，是所有生命有机体重要组成部分，是有机能量主要来源。
        • 多糖与维持生命所需的多种生理功能有关，广泛参与细胞识别，细胞生长，分化，代谢，胚胎发育，细胞癌变，病毒感染，免疫应答等各项生命活动，被称为活性多糖
    • 多糖的性质
      • 溶解性
        • 具有大量游离羟基，较强亲水性，不溶于水，大部分不能结晶易于水合和溶解 不会显著降低水的冰点，是一种冷冻稳定剂
      • 黏度和稳定性
        • 增稠胶凝功能，此外还控制流体食品与饮料的流动性与质构以及改变半固体食品变形性 大多数亲水胶体溶液随温度升高黏度下降，(黄原胶除外) 多糖溶液一般有两类流动性质(假塑性，触变性)
      • 凝胶
        • 连续三维网状凝胶结构，既有固体性质，又有液体性质，使久成为目黏弹性半固体，显示部分弹性和黏性
      • 水解
        • 在酸或酶催化下，水解伴随黏度下泽。水解程度取决于酸强度或酶活力时间温度及多糖结构
      • 风味结合功能
        • 风味固定剂，(阿拉伯胶)
• 食品中主要多糖
  • 淀粉
    • 淀粉结构
      • D葡萄糖通过α14和α16糖苷键结合而成的高聚物，分直链和支链
      • 直链淀粉
        • D葡萄糖通过α14糖苷键连接而形成线状大分子，聚合度💯~6000，一般250~300
        • 并不是完全伸直线性分子，而是由分子内羟基间氢键作用使整个链分子蜷曲成以每6个葡萄糖残基为一个螺旋节距的螺旋结构
      • 支链淀粉
        • D葡萄糖通过α14和α16糖苷键连接而成的大分子，具有分支，每个支链淀粉分子由1条主链和若琛连接在主链上的侧链组成。
        • 1个分支有20~30个，分支与分支间相距11~12个葡萄糖残基，各分支卷曲成螺旋结构，分子近似球形，并如树枝状枝杈结构
        • 聚合度1200-3000000，一般60000以上，比直链大得多，是最大天然化合物久一
      • 淀粉颗粒
        • 由直链淀粉或支链淀粉分子径向排列而成，具有结晶区与非结晶区交替层结构
        • 支链淀粉成簇的分支是以螺旋结构形式存在，这些螺旋结构堆积在一起形成许多小的结晶区(微晶束)，靠分支侧链上葡萄糖残基以氢键缔合平行排列而形成
        • 一部分链不参与构成微晶束，而成为非结晶区，也就是无定形区，直链淀粉主要形成非结晶区
        • 结晶区构成紧密层，无定形区构成稀疏层，两层交替排列而构成淀粉颗粒。大部分是非结晶体
    • 淀粉物理性质
      • 白色粉末，有羟基而有较强吸水性和持水能力。含水量高，约12%
      • 纯支链淀粉易分散于冷水中，直链相反
      • 颜色
        • 淀粉与碘形成有颜色复合物，直链棕蓝色，支链蓝紫色
        • 糊精与碘颜色随分子质量↓，由蓝色紫红色橙色以至无色，聚合度4-6短直链不显色，8-20短直链红色，>40直链深蓝色，支链只有20-30，呈紫红色
      • 淀粉热溶液因螺旋结构伸展，遇碘不显深蓝色，冷却后，结构恢复而呈深蓝色
      • 纯净直链淀粉定量结合碘，每g可结合200mg碘，这一性质通常被用于直链淀粉含量测定
    • 水解反应
      • 酸水解法
        • 淀粉分子糖苷键的酸水解是随机的，淀粉水解程度不同，其水解气物的分子大小也不同
        • 支链比直链易水解，水解难易顺序α16>14>3>2，α14比β14快，结晶区比非结晶区更难水解
      • 酶水解法
        • 糖化，用的酶叫糖化酶。酶水解经过糊化，液化和糖化3道工序。使用的酶是α淀粉酶，β淀粉酶，葡萄糖淀粉酶
        • α淀粉酶是内切酶，将直链和支链两种分子从内部裂开任意位置的α14糖苷键，产物中还原端葡萄糖残基为α构型 不能水解α1-6糖苷键，但能越过它继续催化水解1-4糖苷键。此外，也不能催化水解麦芽糖中14糖苷键。 水解产物是α葡萄糖，α麦芽糖，很小糊精分子
        • β淀粉酶可以从淀粉分子还原尾端开始催化α14糖苷键，不能催化16，也不能越过。外酶，水解产物是β麦芽糖和β限制糊精
        • 葡萄糖淀粉酶由非还原端开始催化淀粉分子水解，反应可发生在α1-6-4-3，能催化任何糖苷键。外酶，产物全是葡萄糖
        • 异淀粉酶和普鲁兰酶水解支链淀粉1→6连接键，产生许多低分子量直链分子
    • 淀粉的糊化
      • 定义
        • 淀粉粒在适当温度下，在水中溶胀，分裂，形成均匀糊状溶液的过程。β淀粉(分子间靠氢键紧密排列，间隙很小，具有胶束结构，即使水分子也很难渗透进去。县有胶束结构的生淀粉称为β淀粉→α淀粉(胶束彻底崩溃，淀粉分子被水包围，成为胶体溶液状态)
      • 阶段
        • 1可逆吸水阶段:水分进入淀粉粒非晶质部分，淀粉通过氢键与水分子发生作用，颗粒体积略有膨胀，外观上没有明显变化，淀粉粒内部晶体结构没有改变，此时冷却干燥，可以复原，双折射现象不变
        • 2不可逆吸水阶段:随温度升高，水分进入淀粉微晶束间隙，不可逆大量吸水，颗粒的体积膨胀，绽放分子之间氢键被破坏和分子结构发生伸展，结晶溶解，双折射现象开始消失
        • 3淀粉粒解体阶段，淀粉分子全部进入溶液，体系黏度达到最大，双折射现象完全消失
      • 实质
        • 微观结构从有序→无序，双折射和结晶结构完全消失。 糊仕温度是个范围，双折射现象开始消失为开始糊化，双折射完全消失为完全糊化。用这种表示糊化温度
      • 影响因素
        • 分子结构
          • 直链比支链难糊化，大颗粒淀粉分子易糊化
        • 水分
          • 水分含量提高，糊化程度提高
        • 糖
          • 高浓度的糖，使淀粉糊化受到抑制
        • 脂类
          • 外加脂类可与淀粉形成包合物，抑制糊化
        • pH
          • 食品pH4~7，对糊化影响小，低pH淀粉水解，黏度低
    • 淀粉的老化
      • 定义
        • 经过糊化的α淀粉在室温或低于室温下放置后，后变得不透明甚至凝结而沉淀
      • 实质
        • 糊化后的淀粉分子在低温下又自动排列成序，相邻分子间氢键又逐步收复而形成致密，高度晶化的淀粉分子微晶束。老化过程可看成糊化的逆过程，老化不能使淀粉彻底复原到生淀粉β结构，它比生淀粉晶化程度低。 老化后与水失去亲和力，不易与淀粉酶作用，不易被人体消化吸收，影响质地
      • 影响因素
        • 温度
          • 2~4℃易老化，>60或<-20，不易老化
        • 水分
          • 含水量30-60%易老化，<10%或过高均不易老化
        • 结构
          • 直链比支链易老化，聚合度中等的易老化
        • 共存物影响
          • 脂类和乳化剂可抗老化
    • 抗消化淀粉
      • 依淀粉在小肠内的生物可利用性分为三类:快递消化淀粉，缓慢消化淀粉，抗消化淀粉
      • 抗分为RS1物理包埋淀粉2抗消化淀粉颗粒3老化淀粉4化学改性淀粉
      • 影响因素
        • 内因:原料的组成，直链与支链比率，颗粒大小，聚合度或链长等
        • 外因:加工条件，处理方式，食物形态及食品添加剂
    • 淀粉改性
      • 可溶性淀粉，酯化淀粉，醚化淀粉，氧化淀粉，交联淀粉，接枝淀粉
  • 果胶
    • 果胶类物质是植物细胞壁成分之一，存在于相邻细胞壁间的胞间层中，起将细胞粘在一起的作用。广泛存在于植物中，果实蔬菜中较多，使有较硬的质地
    • 果胶类物质化学结构与分类
      • 主链由150-500个αD吡喃半乳糖醛酸基通过α14糖苷键连接而成的聚合物，其中半乳糖醛酸残基中部分羧基与甲醇形成酯，剩余羧基部分与钠钾或铵离子形成盐
      • 果胶分子结构由均匀区与毛发区组区，均匀区是αD半乳糖醛酸基组成，毛发区是高度支链αL鼠李半乳糖醛酸组成
      • 酯化度:天然果胶类物质甲酯化程度变化较大，酯化的半乳糖醛酸基与总半乳糖醛酸基的比值，也有用甲氧基含量表示的。酯化度>50%为高甲氧基果胶，低于50为低甲氧基果胶
      • 分类
        • 原果胶
          • 与纤维素与半纤维素结合在一起的甲酯化半乳糖醛酸链，只存在于细胞壁中，不溶于水，水解后生成果胶。在未成熟果蔬组织中与纤维素和半纤维素黏结在一起形成较牢固的细胞壁，使整个组织较坚固
        • 果胶
          • 果胶是羧基不同程度甲酯化和阳离子中和的聚半乳糖醛酸链，存在于植物细胞汁液中，成熟果蔬细胞液内含量较多
        • 果胶酸
          • 果胶酸是完全未甲酯化的聚半乳糖醛酸链，在细胞汁液中与ca离子，Mg，K，Na等矿物质形成不溶于水或稍溶于水的果胶酸盐，当果蔬变成软疡状态时，果胶酸含量较多
    • 果胶物质特性
      • 酸性或碱性条件下发生水解，糖苷键裂解，高温强酸下，发生脱羧作用
      • 果胶及果胶酸在水中溶解度随聚合度↗而↘，还随酯化程度增加而加大
      • 果胶分散所形成的溶液是高黏度溶液，黏度与分子链长度成正比。果胶可形成凝胶
    • 凝胶的形成
      • 条件
        • 当果胶水溶液含糖量60%-65%，pH值2.0-3.5，果胶含量0.3%-0.7%(依果胶性能而异)，在室温甚至接近沸腾温度下，果胶也能形凝胶
      • 机理
        • 在果胶溶液中加入糖类，其目的在于脱水，促使果胶分子周围水化层发生变化，使原来胶粒表面吸附的水减少，果胶分子间易于结合而产生链状胶束，高度失水能加快胶束凝聚，并相互交织，无定向形成三围网状结构
      • 影响因素
        • 分子量和凝胶强度
          • 分子量越大，形成凝胶越强。
        • 果胶酯化度与凝胶强度
          • 凝胶强度随其酯化度增加而增大 脱水，加糖加酸
        • pH值
          • 不同类型不同。低在2.5-6.5形成，正常在2.7-3.5，高的在碱性条件下，会导致水解
        • 糖浓度
          • 低甲氧基果胶可不加糖，但加入10%-20%蔗糖，质地更好
        • 温度
          • 0~50℃范围内，影响不大，渔度过高或加热时间过长，果胶将降解
  • 纤维素和半纤维素及纤维素衍生物
    • 纤维素
      • 由βD吡喃葡萄糖基通过β14糖苷键连接而成的均一直链高分子聚合物。聚合度大小取决于纤维素的来源，一般可达到1000-14000
    • 半纤维素
      • 含有D木糖的一类杂聚多糖，一般它水解能产生戊糖，葡萄糖醛酸和一些脱氧糖。
    • 甲基纤维素
      • 在强碱性(氢氧化钠)条件下，经一氯甲烷处理纤维素引入甲基，即得到。这种改性属于醚化。3个特点:热凝胶，优良乳化剂，最优良的成膜性
    • 羧甲基纤维素
      • 18%氢氧化钠处理纯木浆得到碱性纤维素，与氯乙酸钠盐反应，生成纤维素的羧甲基醚钠盐
    • 微晶纤维素
      • 纯化的不溶性纤维素，它是由纯木浆水解并从纤维素中分离出微晶组分而制得